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JVM—方法区

JAVA 西门飞冰 164℃
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1.堆、栈、方法区的交互关系

下面涉及了对象的访问定位

1、Person 类的 .class 信息存放在方法区中

2、person 变量存放在 Java 栈的局部变量表中

3、真正的 person 对象存放在 Java 堆中

4、在 person 对象中,有个指针指向方法区中的 person 类型数据,表明这个 person 对象是用方法区中的 Person 类 new 出来的

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2.方法区的理解

1、《Java虚拟机规范》中明确说明:尽管所有的方法区在逻辑上是属于堆的一部分,但一些简单的实现可能不会选择去进行垃圾收集或者进行压缩。但对于HotSpotJVM而言,方法区还有一个别名叫做Non-Heap(非堆),目的就是要和堆分开。

2、所以,方法区可以看作是一块独立于Java堆的内存空间

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方法区主要存放的是 Class,而堆中主要存放的是实例化的对象

1、方法区(Method Area)与Java堆一样,是各个线程共享的内存区域。多个线程同时加载同一个类时,只能有一个线程能加载该类,其他线程只能等等待该线程加载完毕,然后直接使用该类,即类只能加载一次。

2、方法区在JVM启动的时候被创建,并且它的实际的物理内存空间中和Java堆区一样都可以是不连续的。

3、方法区的大小,跟堆空间一样,可以选择固定大小或者可扩展。

4、方法区的大小决定了系统可以保存多少个类,如果系统定义了太多的类,导致方法区溢出,虚拟机同样会抛出内存溢出错误:

java.lang.OutofMemoryError:PermGen space

或者

java.lang.OutOfMemoryError:Metaspace
  • 加载大量的第三方的jar包
  • Tomcat部署的工程过多(30~50个)
  • 大量动态的生成反射类

5、关闭JVM就会释放这个区域的内存。

3.设置方法区大小

方法区的大小不必是固定的,JVM可以根据应用的需要动态调整。

1、元数据区大小可以使用参数 -XX:MetaspaceSize-XX:MaxMetaspaceSize 指定

2、默认值依赖于平台,Windows下,-XX:MetaspaceSize 约为21M,-XX:MaxMetaspaceSize的值是-1,即没有限制。

3、与永久代不同,如果不指定大小,默认情况下,虚拟机会耗尽所有的可用系统内存。如果元数据区发生溢出,虚拟机一样会抛出异常OutOfMemoryError:Metaspace

4、-XX:MetaspaceSize:设置初始的元空间大小。对于一个 64位 的服务器端 JVM 来说,其默认的 -XX:MetaspaceSize值为21MB。这就是初始的高水位线,一旦触及这个水位线,Full GC将会被触发并卸载没用的类(即这些类对应的类加载器不再存活),然后这个高水位线将会重置。新的高水位线的值取决于GC后释放了多少元空间。如果释放的空间不足,那么在不超过MaxMetaspaceSize时,适当提高该值。如果释放空间过多,则适当降低该值。

5、如果初始化的高水位线设置过低,上述高水位线调整情况会发生很多次。通过垃圾回收器的日志可以观察到Full GC多次调用。为了避免频繁地GC,建议将-XX:MetaspaceSize设置为一个相对较高的值。

4.方法区的演进细节

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1.7前HotSpot的方法区实现称为”永久代-Permanent Generation”

            特点:占用JVM内存保存数据,-XX:MaxPermSize有上限,容易内存溢出

1.8后HotSpot的方法区实现称为”元空间-Metaspace”

           特点:使用本地内存(Native Memory)保存数据,最大为可用物理内存,与其他JVM保持一致

5.方法区的内部结构

《深入理解Java虚拟机》书中对方法区(Method Area)存储内容描述如下:它用于存储已被虚拟机加载的类型信息、常量、静态变量、即时编译器编译后的代码缓存等。

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类型信息

对每个加载的类型(类class、接口interface、枚举enum、注解annotation),JVM必须在方法区中存储以下类型信息:

1、这个类型的完整有效名称(全名=包名.类名)

2、这个类型直接父类的完整有效名(对于interface或是java.lang.Object,都没有父类)

3、这个类型的修饰符(public,abstract,final的某个子集)

4、这个类型直接接口的一个有序列表

域(Field)信息

也就是我们常说的成员变量,域信息是比较官方的称呼

1、JVM必须在方法区中保存类型的所有域的相关信息以及域的声明顺序。

2、域的相关信息包括:域名称,域类型,域修饰符(public,private,protected,static,final,volatile,transient的某个子集)

方法(Method)信息

JVM必须保存所有方法的以下信息,同域信息一样包括声明顺序:

1、方法名称

2、方法的返回类型(包括 void 返回类型),void 在 Java 中对应的为 void.class

3、方法参数的数量和类型(按顺序)

4、方法的修饰符(public,private,protected,static,final,synchronized,native,abstract的一个子集)

5、方法的字节码(bytecodes)、操作数栈、局部变量表及大小(abstract和native方法除外)

6、异常表(abstract和native方法除外),异常表记录每个异常处理的开始位置、结束位置、代码处理在程序计数器中的偏移地址、被捕获的异常类的常量池索引

5.1.代码举例

public class MethodInnerStrucTest extends Object implements Comparable<String>, Serializable {
    //属性
    public int num = 10;
    private static String str = "测试方法的内部结构";
    //构造器
    //方法
    public void test1(){
        int count = 20;
        System.out.println("count = " + count);
    }
    public static int test2(int cal){
        int result = 0;
        try {
            int value = 30;
            result = value / cal;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return result;
    }

    @Override
    public int compareTo(String o) {
        return 0;
    }
}

反编译字节码文件,进行如下分析。参数 -p 确保能查看 private 权限类型的字段或方法

javap -v -p MethodInnerStrucTest.class

字节码中类型信息

在运行时方法区中,类信息中记录了哪个加载器加载了该类,同时类加载器也记录了它加载了哪些类

//类型信息      
public class com.fblinux.MethodInnerStrucTest extends java.lang.Object implements java.lang.Comparable<java.lang.String>, java.io.Serializable

字节码中域信息

1、descriptor: I 表示字段类型为 Integer

2、flags: ACC_PUBLIC 表示字段权限修饰符为 public

//域信息
  public int num;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC

  private static java.lang.String str;
    descriptor: Ljava/lang/String;
    flags: ACC_PRIVATE, ACC_STATIC

字节码中方法信息

1、descriptor: ()V 表示方法返回值类型为 void

2、flags: ACC_PUBLIC 表示方法权限修饰符为 public

3、stack=3 表示操作数栈深度为 3

4、locals=2 表示局部变量个数为 2 个(实力方法包含 this)

5、test1() 方法虽然没有参数,但是其 args_size=1 ,这时因为将 this 作为了参数

  public void test1();
    descriptor: ()V
    flags: (0x0001) ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=2, args_size=1
         0: bipush        20
         2: istore_1
         3: getstatic     #13                 // Field java/lang/System.out:Ljava/io/PrintStream;
         6: new           #19                 // class java/lang/StringBuilder
         9: dup
        10: invokespecial #21                 // Method java/lang/StringBuilder."<init>":()V
        13: ldc           #22                 // String count =
        15: invokevirtual #24                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(Ljava/lang/String;)Ljava/lang/StringBuilder;
        18: iload_1
        19: invokevirtual #28                 // Method java/lang/StringBuilder.append:(I)Ljava/lang/StringBuilder;
        22: invokevirtual #31                 // Method java/lang/StringBuilder.toString:()Ljava/lang/String;
        25: invokevirtual #35                 // Method java/io/PrintStream.println:(Ljava/lang/String;)V
        28: return
      LineNumberTable:
        line 13: 0
        line 14: 3
        line 15: 28
      LocalVariableTable:
        Start  Length  Slot  Name   Signature
            0      29     0  this   Lcom/fblinux/MethodInnerStrucTest;
            3      26     1 count   I

5.2.non-final 类型的类变量

1、静态变量和类关联在一起,随着类的加载而加载,他们成为类数据在逻辑上的一部分

2、类变量被类的所有实例共享,即使没有类实例时,你也可以访问它

举例

1、如下代码所示,即使我们把order设置为null,也不会出现空指针异常

2、这更加表明了 static 类型的字段和方法随着类的加载而加载,并不属于特定的类实例

public class MethodAreaTest {
    public static void main(String[] args) {
        Order order = null;
        order.hello();
        System.out.println(order.count);
    }
}

class Order {
    public static int count = 1;
    public static final int number = 2;


    public static void hello() {
        System.out.println("hello!");
    }
}

输出结果:

hello!
1

5.3.全局常量:static final

1、全局常量就是使用 static final 进行修饰

2、被声明为final的类变量的处理方法则不同,每个全局常量在编译的时候就会被分配了。

查看上面代码,这部分的字节码指令

//java代码
class Order {
    public static int count = 1;
    public static final int number = 2;
    ...
}    
//字节码
public static int count;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC

  public static final int number;
    descriptor: I
    flags: ACC_PUBLIC, ACC_STATIC, ACC_FINAL
    ConstantValue: int 2

可以发现 staitc和final同时修饰的number 的值在编译上的时候已经写死在字节码文件中了。

5.4.运行时常量池

5.4.1.运行时常量池 VS 常量池

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1、方法区,内部包含了运行时常量池

2、字节码文件,内部包含了常量池。(之前的字节码文件中已经看到了很多Constant pool的东西,这个就是常量池)

3、要弄清楚方法区,需要理解清楚ClassFile,因为加载类的信息都在方法区。

4、要弄清楚方法区的运行时常量池,需要理解清楚ClassFile中的常量池。

5.4.2.常量池

1、一个有效的字节码文件中除了包含类的版本信息、字段、方法以及接口等描述符信息外。还包含一项信息就是常量池表Constant Pool Table),包括各种字面量和对类型、域和方法的符号引用。

2、字面量: 10 , “我是某某”这种数字和字符串都是字面量

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为什么需要常量池?

1、一个java源文件中的类、接口,编译后产生一个字节码文件。而Java中的字节码需要数据支持,通常这种数据会很大以至于不能直接存到字节码里,换另一种方式,可以存到常量池。这个字节码包含了指向常量池的引用。在动态链接的时候会用到运行时常量池,之前有介绍

比如:如下的代码:

public class SimpleClass {
    public void sayHello() {
        System.out.println("hello");
    }
}

1、虽然上述代码只有194字节,但是里面却使用了String、System、PrintStream及Object等结构。

2、比如说我们这个文件中有6个地方用到了”hello”这个字符串,如果不用常量池,就需要在6个地方全写一遍,造成臃肿。我们可以将”hello”等所需用到的结构信息记录在常量池中,并通过引用的方式,来加载、调用所需的结构

3、这里的代码量其实很少了,如果代码多的话,引用的结构将会更多,这里就需要用到常量池了。

常量池中有啥?

1、数量值

2、字符串值

3、类引用

4、字段引用

5、方法引用

MethodInnerStrucTest 的 test1方法的字节码

 0 bipush 20
 2 istore_1
 3 getstatic #3 <java/lang/System.out>
 6 new #4 <java/lang/StringBuilder>
 9 dup
10 invokespecial #5 <java/lang/StringBuilder.<init>>
13 ldc #6 <count = >
15 invokevirtual #7 <java/lang/StringBuilder.append>
18 iload_1
19 invokevirtual #8 <java/lang/StringBuilder.append>
22 invokevirtual #9 <java/lang/StringBuilder.toString>
25 invokevirtual #10 <java/io/PrintStream.println>
28 return

#3,#5等等这些带# 的,都是引用了常量池。

常量池总结

常量池、可以看做是一张表,虚拟机指令根据这张常量表找到要执行的类名、方法名、参数类型、字面量等类型。

5.4.3.运行时常量池

1、运行时常量池(Runtime Constant Pool)是方法区的一部分。

2、常量池表(Constant Pool Table)是Class字节码文件的一部分,用于存放编译期生成的各种字面量与符号引用,这部分内容将在类加载后存放到方法区的运行时常量池中。(运行时常量池就是常量池在程序运行时的称呼)

3、运行时常量池,在加载类和接口到虚拟机后,就会创建对应的运行时常量池。

4、JVM为每个已加载的类型(类或接口)都维护一个常量池。池中的数据项像数组项一样,是通过索引访问的。

5、运行时常量池中包含多种不同的常量,包括编译期就已经明确的数值字面量,也包括到运行期解析后才能够获得的方法或者字段引用。此时不再是常量池中的符号地址了,这里换为真实地址

  • 运行时常量池,相对于Class文件常量池的另一重要特征是:具备动态性。

6、运行时常量池类似于传统编程语言中的符号表(symbol table),但是它所包含的数据却比符号表要更加丰富一些。

7、当创建类或接口的运行时常量池时,如果构造运行时常量池所需的内存空间超过了方法区所能提供的最大值,则JVM会抛OutofMemoryError异常。

6.方法区的使用举例

如下代码:

public class MethodAreaDemo {
    public static void main(String args[]) {
        int x = 500;
        int y = 100;
        int a = x / y;
        int b = 50;
        System.out.println(a+b);
    }
}

字节码执行过程展示:

image-20220924225336437

首先现将操作数500放入到操作数栈中:

 

image-20220924225410204

然后存储到局部变量表中:

image-20220924225454195

然后重复一次,把100放入局部变量表中,最后再将变量表中的500和100 取出,进行操作:

image-20220924225540292

将500和100 进行一个除法运算,在把结果入栈:

image-20220924225626007

在最后就是输出流,需要调用运行时常量池的常量:

 

image-20220924225650814

最后调用invokevirtual(虚方法调用),然后返回:

image-20220924225743153

返回时:

image-20220924225812872

程序计数器始终计算的都是当前代码运行的位置,目的是为了方便记录 方法调用后能够正常返回,或者是进行了CPU切换后,也能回来到原来的代码进行执行。

7.方法区的垃圾回收

1、《Java虚拟机规范》对方法区的约束是非常宽松的,提到过可以不要求虚拟机在方法区中实现垃圾收集。事实上也确实有未实现或未能完整实现方法区类型卸载的收集器存在(如JDK11时期的ZGC收集器就不支持类卸载)。

2、一般来说这个区域的回收效果比较难令人满意,尤其是类型的卸载,条件相当苛刻。但是这部分区域的回收有时又确实是必要的。以前sun公司的Bug列表中,曾出现过的若干个严重的Bug就是由于低版本的HotSpot虚拟机对此区域未完全回收而导致内存泄漏。

3、方法区的垃圾收集主要回收两部分内容:常量池中废弃的常量和不再使用的类型

4、先来说说方法区内常量池之中主要存放的两大类常量:字面量和符号引用。字面量比较接近Java语言层次的常量概念,如文本字符串、被声明为final的常量值等。而符号引用则属于编译原理方面的概念,包括下面三类常量:

  • 类和接口的全限定名
  • 字段的名称和描述符
  • 方法的名称和描述符

5、HotSpot虚拟机对常量池的回收策略是很明确的,只要常量池中的常量没有被任何地方引用,就可以被回收。

6、回收废弃常量与回收Java堆中的对象非常类似。(关于常量的回收比较简单,重点是类的回收)

下面也称作类卸载:

1、判定一个常量是否“废弃”还是相对简单,而要判定一个类型是否属于“不再被使用的类”的条件就比较苛刻了。需要同时满足下面三个条件:

  • 该类所有的实例都已经被回收,也就是Java堆中不存在该类及其任何派生子类的实例。
  • 加载该类的类加载器已经被回收,这个条件除非是经过精心设计的可替换类加载器的场景,如OSGi、JSP的重加载等,否则通常是很难达成的。
  • 该类对应的java.lang.Class对象没有在任何地方被引用,无法在任何地方通过反射访问该类的方法。

2、Java虚拟机被允许对满足上述三个条件的无用类进行回收,这里说的仅仅是“被允许”,而并不是和对象一样,没有引用了就必然会回收。关于是否要对类型进行回收,HotSpot虚拟机提供了-Xnoclassgc参数进行控制,还可以使用-verbose:class 以及 -XX:+TraceClass-Loading-XX:+TraceClassUnLoading查看类加载和卸载信息

3、在大量使用反射、动态代理、CGLib等字节码框架,动态生成JSP以及OSGi这类频繁自定义类加载器的场景中,通常都需要Java虚拟机具备类型卸载的能力,以保证不会对方法区造成过大的内存压力。

 

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